第8章真空中的静电场8-1把某一电荷分成q 与Q-q 两个部分,且此两部分相隔一定距离,如果使这两部分有最大库仑斥力,则Q 与q 有什么关系?8-2在边长为a 的正方形的四角,依次放置点电荷q 、2q 、一4q 和2q ,它的正中放着一个单位正电荷.求这个电荷受力的大小和方向.解各点电荷在正方形中心产生的电场方向如图8-2所示,它们的大小为方向如图8-2所示,则在正方形中心处的场强为E 的方向指向-4q 。
该处单位正电荷的受力就等于该点的电场强度E 。
8-3两根无限长的均匀带电直线相互平行,相距为2a ,线电荷密度分别为λ+和λ-,求每单位长度的带电直线所受的作用力.解设带电直线1的线电荷密度为λ+,带电直线2的线电荷密度为λ-。
可得带电直线1在带电直线2处产生的场强为在带电直线2上取电荷dq ,由场强的定义得该电荷元受的作用力为带电直线1对带电直线2单位长度上的电荷的作用力为同理,带电直线2对带电直线1单位长度上的电荷的作用力为可见,两带电直线相互吸引。
8-4—无限大带电平面,带有密度为σ的面电荷,如图所示.试证明:在离开平面为x 处一点的场强有一半是由图中半径为x 3的圆内电荷产生的.解带电圆圆在轴线上的场强为8-5(1)点电荷q 位于边长为a 的正立方体的中心,通过此立方体的每一面的电通量各是多少?(2)若点电荷移至正立方休的一个顶点上.那么通过每个面的电通量又各是多少?解(1)点电荷q 位于正立方体的中心,正立方体的六个面对该电荷来说都是等同的。
因此通过每个面的电通量相等,且等于总电通量的1/6。
对正立方体的某一面,其电通量为(2)当点电荷移至正立方体的一个顶点上时,设想以此顶点为中心,作边长为2a 且与原边平行的大正方体,如图8—5所示。
与(1)相同,这个大正方体的每个面上的电通量都相等,且均等于06/εq 。
对原正方体而言,只有交于A 点的三个面上有电场线穿过,每个面的面积是大正方体一个面的面积的1/4,则每个面的电通量也是大正方体一个面的电通量的1/4,即024/εq ,原正方体的其他不A 点相交的三个面上的电通量均为零。
8-6实验表明,在靠近地面处有相当强的电场,E 垂直于地面向下,大小约为100N /C ;在离地面1.5km 高的地方,E 也是垂直于地面向下,大小约为25N /C.(1)试计算从地面到此高度的大气中的平均电荷体密度;(2)如果地球上的电荷全部分布在表面,求地面上的电荷面密度.解(1)设平均电荷体密度为ρ,在靠近地表面附近取底面积为S ∆,高为h 高斯柱面(图8—6(a)),根据高斯定理得(2)设地面的电荷面密度为σ.在地表面取底面积为S ∆,高为h 的高斯柱面(图8—6(b)),根据高斯定理得8-7一半径为R 的带电球,其电荷体密度为)/1(0R r -=ρρ,0ρ为一常量,r 为空间某点至球心的距离.试求:(1)球内、外的场强分布;(2)r 为多大时,场强最大?等于多少?解由于电荷球对称分都,故电场也球对称分布。
利用高斯定理.取半径为r 的同心高斯球面。
8-8如图所示,一个均匀分布的正电荷球层,电荷体密度为ρ,球层内表面半径为R 1,外表面半径为R 2.试求:(1)A 点的电势;(2)B 点的电势.解内电荷的球对称分布,用高斯定理可求出各区域的电场强度E 。
8-9一个细玻璃捧,被弯成半径为R 的半圆形,其上均匀分布有电量q +,试求圆心O 处电场强度及电势.分析此题电量是连续分布的,此类问题的解题思路是将整个带电体分割成无限多的电荷元,先计算任意一个电荷元在给定点产生的场强和电势,再用积分法求给定点的总场强和总电势.如何取微元并建立微分式是难点,此外,用积分法求解电场强度时要注意,场强积分是矢量积分,应先把d E 在坐标轴上进行投影,求出d E 的各分量x dE 、y dE 、z dE ,再对各分量进行积分.解选择如图所示坐标系.在细玻璃棒取一长为d l 的线元,此线元与圆心的连线与y 轴的夹角为θ,所张圆心角为d θ,则该线元所带电量dq 为8-10一半径为R 的无限长圆柱形带电体,其体电荷密度)(R r Ar ≤=ρ,A 为正常数.试求:(1)圆柱体内外各点场强大小的分布;(2)选距轴线距离为)(R l l >处为零势0点,计算圆柱体内外各点的电势分布.8-11如图所示,一半径为R1的均匀带电绝缘固体球.电荷体密度为ρ,从球中挖去一半径为R2的球形空腔,,空腔中心O'与球心O的距离为a,试求:(1)空腔中心O'处的电场强度.(2)空腔中心O'处的电势.8-12电量q 均匀分布在长度为2L 的细直导线上,如图所示.(1)求其延长线上距离线段中心为x 处(x >L)的电势(设无限远处电势为零);(2)利用电势梯度求该点的电场强度.分析本题可用电势叠加原理求电势.解(1)取如图所示的坐标系,在带电直线上取一线d l ,该线元所含电荷为dq =dl Lq dl 2=λ,电荷元dq 在延长线上x 处产生的电势为8-13如图所示,一带电均匀的平面圆环,内外半径分别为R 1和R 2,电荷面密度为)0(>σσ.一质子被加速后,自P 点沿圆环轴线处射向圆心O ,若质子达到O 点时的速度恰好为零,试求质子位于P 点的动能E k .(忽略重力影响,OP =L)分析这是一道力学与静电学的综合习题.根据动能定理,质子在OP 上运动时受到电场力做的功等于质子动能的增量.电场力做的功有两种求解方法:一种是利用电势差求解,即W =e (V P —V O );另外一种方法是利用功的定义求解,即⎰⋅=O P d e W l E 。
第一种方法需要求O 、P 两点的电势,第二种方法需要求OP 上的场强。
第9章电场与物质的相互作用9-1面积很大的导体平板A与均匀带电平面B平行放置,如图所示.已知A与B相距d,两者相对部分的面积为S.(1)设B面带电量为q,A板的电荷面密度为1σ及2σ,求A板σ及2σ.与B面的电势差.(2)若A板带电量为Q,求19-2半径为R1的导体球带有电荷小球外有一个内、外半径分别为R2、R3的同心导体球壳,壳上带有电荷Q,如图所示.(1)求两球的电势V l及V2;(2)求两球的电势差V∆;(3)用导线把球和壳连接在一起后,V l、V2及V∆分别是多少?(4)在情形(1)、(2)中,若外球接地,则V l、V2及V∆分别是多少?(5)设外球离地面很远,若内球接地,情况如何?9-3如图所示,半径为R的金属球与地相连接,在与球心相距d=2R处有一点电荷q(q >0).问球上的感应电荷q′有多少(设金属球距地间及其他物体很远)?9-4已知铜的摩尔质量M=63.75g.mol-1,密度 =8.9g.cm-3,在铜导线里,假设每一个铜原子贡献一个自由电子.为了技术安全,铜线内最大电流密度m j =6.0A.mm -2,求此时铜线内电子的漂移速率d υ.9-5有两个半径分别为R 1和R 2的同心球壳,其间充满了电导率为σ的介质,若在两球壳间维持恒定的电势差U ,求两球壳间的电流.(答案:12124R R R UR I -=πσ)9-6在如图所示的电路中,已知电池A 的电动势A ε=24v ,内阻R A =2Ω,电池B 的电动势B ε=12V .内阻R B =1Ω,外阻R =3Ω.试计算:(1)电路中的电流;(2)电池A 的端电压U 12;(3)电池B 的端压U 34;(4)电池A 所消耗的化学能功率以及所输出的有效功率;(5)输入电池B 的功率及转变为化学能的功率;(6)电阻R 所产生的热功率.9-7一段含源电路如图所示,已知I1=1A,1ε=1.5V,r1=5Ω,R1=10Ω;I2=0.8A,ε=2.0V,r2=3Ω,R2=15Ω;I3=1.2A,3ε=3.0V,r3=4Ω,R3=20Ω.求a、b两2点的电势差U ab.分析本题可直接应用一段含源电路的欧姆定律求解,但应注意电阻上电压降和电源电动势的符号规定。
9-8半径为R的导体球,带有电荷Q,球外有一均匀电介质的同心球壳,球壳的内、外半径分别为a和b,相对介电常量为rε,如图所示.求:(1)各区域的电场强度E.电位移矢量D及电势V,绘出E(r)、D(r)及V(r)图线;(2)介质内的电极化强度P和介质表面上的极化电荷面密度σ'.9-9—块大的均匀电介质平板放在一电场强度为E 0的均匀电场中,电场方向与板的夹角为θ.如图所示.已知板的相对介电常量是r ε,求板面的面束缚电荷密度.解在电介质内束缚电荷产生的电场方向与板面垂直。
设板面的顶束缚电荷密度为σ'、则电介质内束缚电荷产生的场强为9-10两共轴的导体圆筒,内筒半径为R 1,外筒的内半径为R 2(R 2<2R 1),其间有两层均匀介质,分界面的半径为r ,内层介电常量为1ε,外层介电常量为)2(212εεε=,两介质的击穿场强都是E m ,当电压升高时,哪层介质先击穿?证明:两筒最大电势差为122ln 21rR R r E V m m =解设两导体圆筒上电荷线密度分别为λ和λ-,则空间电场分布为9-11为了测量电介质材料的相对介电常量.将一块厚为1.5cm 的平板材料慢慢地插进一电容器的距离为2.0cm 的两平行板之间.在插入过程中,电容器的电荷保持不变.插入之后,两板间的电势差减小为原来的60%,求电介质的相对介电常量.9-12某计算机键盘的每一个键下面连有一小块金属片,它下面隔一定空气隙有另一块小的固定金属片.这样两片金属片就组成一个小电容器(如图).当键被按下时,此小电容器的电容就发生变化,与之相连的电子线路就能检测出是哪个键被按下了,从而给出相应的信号.设每个金属片的面积为50.0mm 2,两金属片间的距离是0.600mm.如果电子线路能检测出的电容变化是0.250PF ,那么键需要按下多大的距离才能给出必要的信号?9-13如图所示、—平行板电容器充以两种电介质,试证其电容为2210r r d A C εεε+=.9-14如图所示.一平板电容器,两极板相距d,面积为S.电势差为U,板间放有—层厚为t的介质,其相对介电常量为rε,介质两边都是空气.略去边缘效应,求:(1)介质中的电场强度E、电位移矢量D和极化强度P的大小;(2)极板上的电量Q;(3)极板和介质间隙中的场强大小;(4)电容.9-15两个同轴的圆柱面,长度均为l,半径分别为a、b,两圆柱面之间充有介电常量为ε的均匀电介质.当两个圆柱面带有等量异号电荷+Q、-Q时,求:(1)半径为r(a<r<b)处的电场能量密度;(2)电介质中的总能量,并由此推算出圆柱形的电容器的电容.第10章稳恒磁场10-1如图(a)所示,电流I均匀地流过宽为b的无限长平面导体薄板,求(1)通过板的中线并与板面垂直的直线上P点的磁感应强度;(2)若b为无穷大,电流线密度为j,结果如何?10-2如图(a)所示,半球面半径为R,均匀带电,电荷面密度为σ,当其绕对称轴以角速度ω旋转时,求球心处的磁感应强度.10-3在半径为R的无限长金属圆柱体内部挖去一半径为R'的无限长圆柱体,两柱体的轴线平行,相距d,有电流沿轴线方向流动,且均匀分布在空心柱体的截面上,电流密度为j.试证明空腔中的磁场是均匀的.分析这是一个非对称的电流分布,其磁场分布不满足轴对称,因而不能直接用安培环路定理求解,但可以利用补偿法求空腔内的磁场.将如图所示的载流导体视作两根半径分别为R和R′的实心圆柱导体,电流密度相同,方向相反,这时空腔内任一点磁感应强度B=B1+B2,其中B1、B2分别是半径为R和R′的实心圆柱体在该点激发的磁感应强度,它们分别可由安培环路定理求得.10-4半径为R的平面圆形线圈中载有电流I2,另一无限长导线AB中载有电流I1,若AB与圆心相距d(d>R)且与线圈共面,求圆形线圈所受的磁力.分析圆电流处于无限长直电流产生的非均匀磁场中,但由对称性分析仍可知线圈在y方向所受合力为零.在圆电流上选取电流元,由安培定律分解积分可求得线圈所受磁力.10-5一半径为R的薄圆盘,放在磁感应强度为B0的均匀磁场中,B0的方向与盘平行,在圆盘表面上,电荷面密度为σ,若圆盘以角速度ω绕通过盘心并垂直盘面的轴转动,求:(1)圆盘在盘心处产生的磁感应强度;(2)圆盘产生的磁矩;(3)圆盘所受的磁力矩.10-6如图所示,两带电粒子同时射入均匀磁场,速度方向皆与磁场垂直.(1)如果两粒子质量相同,速率分别是υ和2υ;(2)如果两粒子速率相同,质量分别是m和2m;那么,哪个粒子先回到原出发点?10-7图(a)是一个磁流体发电机的示意图.将气体加热到很高温度,使之电离而成为等离子体,并让它通过平行板电极1、2之间,在这里有一垂直于纸面向里的磁场B.试说明υ的电压(υ为气体流速,d为电极间距).问哪个电极是正这两极之间会产生一个大小为Bd极?解等离子体在磁场中受磁力作用,正、负电荷受的磁力方向如图(b )所示。